DE3634018A1 - Werkzeugwechselsystem fuer einen industrieroboter - Google Patents
Werkzeugwechselsystem fuer einen industrieroboterInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Werkzeugwechselsystem für
einen Industrieroboter mit frei beweglichem Roboterarm und
unterschiedlichen, über Antriebe aktivierbaren Werkzeugen,
insbesondere zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken,
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Insbesondere auf den Technologiegebieten des Entgratens,
Oberflächenbearbeitens sowie Prüfen und Montieren werden
seit einiger Zeit im Rahmen einer automatisierten Ferti
gung verstärkt Industrieroboter eingesetzt. Speziell für
einen aufsichtsarmen automatisierten Fertigungsbetrieb mit
Industrierobotern ist dabei ein automatischer Werkzeug
wechsel und eine Überwachung der Werkzeuge bei der Ferti
gung erforderlich. Auch müssen Bahn-,Werkstück- und/oder
Aufspanntoleranzen sowie der Werkzeugverschleiß bei der Be
arbeitung berücksichtigt werden.
Bisher werden für obige Aufgaben durchweg die gewöhnlichen
Handwerkszeuge auf eine Industrieroboter-Anwendung um
funktioniert. Dabei ergeben sich aber besondere Probleme,
insbesondere bezüglich der Schnellwechselfähigkeit, Anpaß
fähigkeit und Zugänglichkeit der Werkzeuge. Nur wenn diese
Bedingungen hinreichend erfüllt sind, läßt sich der wirt
schaftliche Einsatz des Industrieroboters rechtfertigen.
Beim Stand der Technik wird zur Gewährleistung obiger Rand
bedingungen üblicherweise beim Werkzeugwechsel der zugehöri
ge Antrieb mit ausgewechselt und an den Roboterarm angekop
pelt. Es wurde bereits auch vorgeschlagen, nur das Werk
zeug selbst auszuwechseln. Dabei ergibt sich jedoch ein sehr
umständliches System in der Handhabung, wobei im einzelnen
fünf Arbeitsschritte notwendig sind. Dadurch sind solche
Systeme sehr langsam, wobei auch nur Werkzeuge mit gleichem
Schaftdurchmesser gewechselt werden können. Insgesamt ist
eine derartige Einheit schwer und unhandlich. Dies gilt
auch für vom Stand der Technik bekannte Hochfrequenzspin
deln, die mit einem integriertem Werkzeugwechselsystem für
Werkzeugmaschinen und Bearbeitungszentren angeboten werden,
wobei diese nicht überlastbar sind und sich bereits daher
nicht für einen aufsichtsarmen Einsatz bei Industrierobotern
eignen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Werkzeugwechsel
system anzugeben, bei dem durch eine Schnellwechselfähig
keit, Anpaßfähigkeit und gute Zugänglichkeit auszeichnet.
Dabei sollen insbesondere auch unterschiedliche Schaftdurch
messer der Werkzeuge möglich sein.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der
Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Wei
terbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei der Erfindung lassen sich die verschiedenen Aspekte
der Problemstellung insbesondere dadurch vorteilhaft lösen,
daß ein integriertes, gewichtssparendes Schnellwechselfutter,
welches an sich vom Stand der Technik bekannt ist, so modi
fiziert wird, daß es in Kombination mit einem leistungs
fähigen, leichtgewichtigen Druckluftmotor als Antrieb und
einer anpaßfähigen, nachgiebigen Aufhängung dieses Antrie
bes einsetzbar ist. Dabei kann als Antrieb beispielsweise
ein handelsüblicher Druckluftmotor verwendet werden, der
sich durch eine hohe Leistungsfähigkeit bei geringem Ge
wicht auszeichnet. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß ein
solcher Antrieb überlastbar ist und ohne Schaden zum Still
stand abgebremst werden kann. Der Druckluftmotor kann am
Roboterarm mit einer Linearführung nachgiebig gelagert wer
den, wobei mit Hilfe einer Druckluftfeder der Anpreßdruck
des Werkzeuges einstellbar ist. Letzteres hat den Vorteil,
daß der Anpreßdruck konstant bleibt und Werkstück-, Auf
spann-und Bahntoleranzen sowie Schwingungen des Roboters
ausgeglichen werden können. Dadurch ist der Werkzeugver
schleiß kompensierbar und das Werkzeug vor Überlastungen
schützbar. Außerdem sind Bahnkorrekturen über gegebenen
falls zugeordnete Sensoren leicht möglich.
Als Sensoren können beispielsweise Potentiometer oder auch
Endschalter an der Linearführung verwendet werden. Insbe
sondere mit Hilfe eines Endschalters ist der Werkzeugver
schleiß überwachbar. Mit einem solchen Endschalter an der
Linearführung können auch Prüfvorgänge durchgeführt werden:
Beispielsweise kann das Vorhandensein von Bohrungen, Nuten,
Durchbrüchen etc. an den Werkstücken sowie gegebenenfalls
abgebrochene Werkzeuge festgestellt werden.
Der Kern des erfindungsgemäßen Werkzeugwechselsystems ist
ein Schnellwechselfutter, das gegenüber dem Stand der Technik
vorteilhaft modifiziert ist: Insbesondere sind eine Anpassung
an den Antrieb vorgenommen und in den beiden Funktionsteilen
des Wechselsystems Ringnuten für die Betätigung einer Schiebe
hülse für das Spannfutter einerseits und für die Ablage der
Werkzeugaufnahmen andererseits angebracht. Die Werkzeugauf
nahmen mit Mitnehmernuten sind durch Einführschrägen so ver
bessert, daß ein automatischer Werkzeugwechsel sicher ge
währleistet ist.
Durch Zusammenwirken der einzelnen Komponenten ergibt sich
insgesamt ein leichtes sowie universell und gut handhabbares
Werkzeugsystem für den Robotereinsatz, das insbesondere zum
Entgraten, Gravieren und Bohrbildkontrolle eingesetzt werden
kann. Zum Entgraten können beispielsweise Topfbürsten und
verschiedene Pinselbürsten verwendet werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbei
spieles. Es zeigen
Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Industrieroboter-
System mit Werkzeug und Werkzeugablage und zugehörigem Werk
zeugwechselsystem.
Fig. 2 den roboterseitigen Teil des Werkzeugwechselsystems
und
Fig. 3 den werkzeugseitigen Teil des Werkzeugwechselsystems.
In den Figuren sind identische Teile mit den gleichen Be
zugszeichen versehen. Die Figuren werden teilweise zusammen
beschrieben.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Industrieroboter bezeichnet, der aus
Stativ 11 und zugehörigen Roboterarmen 12 bis 17 besteht.
Die Elemente 11 bis 17 des Roboters 1 sind über Dreh- oder
Schwenkachsen I bis VI gekoppelt. Am Roboterarm 17 ist ein
Werkzeug 300 über ein Werkzeugwechselsystem 20 ankoppelbar.
Das Werkzeug 300 ist beispielsweise als Bürste zum Entgraten
von Aluminium-Druckgußwerkstücken ausgebildet, welches in
Fig. 1 mit 2 angedeutet ist und Bohrungen, Nuten sowie Durch
brüche aufweist. Weiterhin ist eine Ablage 3 als Träger nicht
benutzter bzw. ausgetauschter Werkzeuge vorhanden, die aus
Querleisten 5 mit Aufnahmegabeln 6 für Werkzeugaufnahmen 310
besteht.
In Fig. 2 ist der roboterseitige Teil des Werkzeugwechsel
systems 20 im einzelnen erkennbar. Am Roboterarm 17 ist über
eine Befestigungseinrichtung 40, auf die weiter unten im
einzelnen eingegangen wird, ein Druckluftmotor 21 als An
trieb mit Antriebswelle 22 befestigt. Auf der Antriebswelle
22 ist eine Aufnahmehülse 23 als Anpaßstück angebracht, die
Teil eines Spannfutters 25 ist. Das Spannfutter 25 weist
entsprechend dem Stand der Technik einen Innenkegel mit in
der Kegelfläche gelagerten Kugeln auf, deren Funktion anhand
der Fig. 3 noch beschrieben wird. Zur Fixierung des Spann
futters 25 ist eine Schiebehülse 26 vorhanden. Die Schiebe
hülse 26 ist mittels einer mit dem Antrieb 21 mechanisch
verbundenen Verschiebeeinrichtung 30 betätigbar. Dafür weist
die Schiebehülse 26 eine Ringnut 27 auf, in die eine Gabel 33
mit Widerlager 34 eingreifen kann. Die Gabel 33 ist über eine
Schiebestange 32 mit einem Druckluftzylinder 31 verbunden. So
mit ist eine Linearbewegung der Schiebehülse 26 relativ zum
Antriebssystem zum Öffnen und Schließen des Spannfutters 25
und damit Austausch des Werkzeuges 300 möglich.
Zur Befestigungseinrichtung 40 für den roboterseitigen Teil
des Werkzeugwechselsystems 20 am Roboterarm 17 gehören wei
terhin mehrere Kugelbüchsen 41 sowie ein zugehöriger Adap
tionsflansch 42 mit vorgelagertem Trägerteil 44. Die Kugel
büchsen 41 und der Adaptionflansch 42 verlaufen in Fig. 2 in
zwei Ebenen. Vier Kugelbüchsen 41 a sind mit dem Roboterarm 17
und vier Kugelbüchsen 41 b mit dem Antrieb 21 verbunden. Über
darin gelagerte Führungsstangen 43 wird für den Antrieb 21
eine Linearführung gegenüber einem festen Widerlager 49 ge
bildet.
Durch Zuordnung einer einstellbaren Druckluftfeder 45 zur
Linearführung 41, 43 wird der Druckluftmotor 21 gegenüber dem
Roboterarm 17 nachgiebig gehaltert. Die Druckluftfeder 45
ist mit einem Halteteil 50 mit der Linearführung 41, 43
gekoppelt und durch ihre Zylinderstange 51 mit dem Adaptions
flansch 42 verbunden. Mit Hilfe der Druckluftfeder 45 kann
der Anpreßdruck der Werkzeuge den technologischen Anforderun
gen angepaßt und bei der Bearbeitung konstant gehalten wer
den. Dadurch ist es möglich, Werkstück-, Aufspann- und Bahn
toleranzen sowie Schwingungen des Roboters auszugleichen.
Der Druckluftfeder 45 können Sensoren zugeordnet werden,
beispielsweise drei Endschalter 46, 47 und 48. Speziell der
Endschalter 48 dient zur Überwachung des Werkzeugverschlei
ßes: Durch die Linearführung wird über die Druckluftfeder 45
das Werkzeug nachgestellt. Wenn dabei der Endschalter 48 be
tätigt ist, wird durch dessen Signal ein Werkzeugaustausch
eingeleitet.
Mit dem Endschalter 48 können auch Prüfvorgänge durchge
führt werden. Bei entsprechender Programmierung und Verwen
dung eines Prüfstiftes als Werkzeug werden Bohrungen, Nuten
durchbrüche usw. abgetastet und die Signale mit Sollwerten
verglichen. Gegebenenfalls können so auch abgebrochene Werk
zeuge festgestellt werden. Mit den weiteren Endschaltern 46
und 47 ist es möglich, während der Bearbeitung die Bahnkurve
des Roboterarmes in Abhängigkeit von Werkstückabweichungen
von den vorgegebenen Sollwerten nachzuregeln. Statt der End
schalter 46 und 47 kann auch ein Potentiometer zur konti
nuierlichen Signalaufnahme vorhanden sein.
In Fig. 3 ist als Werkzeug beispielsweise eine Topfbürste 330
mit Welle 331 verwendet. Das Werkzeug ist an eine Werkzeug
aufnahme 310 angekoppelt, wozu eine Spannzange 320 mit
Überwurfmutter 321 vorgesehen ist. Die eigentliche Werkzeug
aufnahme 310 ist mit einem Konus 311 ausgeformt, der in das
Spannfutter 25 eingreifen kann. In der Darstellung gemäß Fig. 3
ist zur besseren Übersichtlichkeit das Spannfutter 25 halb
geschnitten dargestellt, so daß der Innenkegel 250 erkennbar
ist.
Der Konus 311 der Werkzeugaufnahme 310 weist Mitnehmernuten
312 zum verdrehungssicheren Werkzeugwechsel auf, in die beim
Einschieben in das Spannfutter 25 in der Kegelebene liegende
Führungskugeln 251 eingreifen. Zu den Mitnehmernuten 312
hin sind von der Seite des Konus 311 her Einführschrägen 313
eingearbeitet, so daß die Führungskugeln 251 immer in korrek
ten Eingriff gelangen.
Neben den Führungskugeln 251 weist der Innenhohlkegel 250
des Spannfutters weitere, nachgiebig gelagerte Kugeln 252
auf. Diese weichen bei Zurückschieben der Schiebehülse 26
aus und bewirken in bekannter Weise das Verriegeln des
Konus 311 der Werkzeugaufnahme 310.
Zwischen dem Konus 311 und der Spannzange 320 der Werk
zeugaufnahme 310 ist weiterhin eine umlaufende Ringnut 322
eingebracht. Die Ringnut 322 dient zur Ablage der Werkzeug
aufnahme 320 in die Konsole 3 gemäß Fig. 1 beim Werkzeug
wechsel.
Mit dem beschriebenen System ist ein sicherer Werkzeug
wechsel in einfacher Weise möglich: Nach Beendigung eines
Arbeitsganges oder Verschleiß eines Werkzeuges fährt der
Roboter 1 zum Ablegen des Werkzeuges 300 so in die Werkzeug
ablage 3, daß die Nut 322 der Werkzeugaufnahme 320 in eine
zugehörige Gabel zu liegen kommt. Danach wird mit der pneu
matisch gelagerten Gabel 33 die Schiebehülse 26 zurückge
zogen und die Werkzeugaufnahme 310 freigegeben. Der Roboter
kann nun vom Kegel der Werkzeugaufnahme 310 herunterfahren
und das nächste Werkzeug hohlen. Dazu wird mit zurückge
zogener Schiebehülse 26 auf den Kegel der Werkzeugaufnahme
310 aufgefahren und dieser durch Aktivierung der Schiebe
hülse 26 verriegelt.
Mit obiger Technik ist ein sicheres und schnelles Wechseln
von Werkzeugen in Analogie zu einem handbetätigten Wechsel
gewährleistet. Separate Schritte zum Entspannen des abzule
genden Werkzeuges, sowie Spannen und Prüfen des zu adaptie
renden Werkzeuges wie beim Stand der Technik können aber nun
entfallen. Das Ablegen und Aufnehmen eines Werkzeuges kann in
einer Zeitspanne weniger als zehn Sekunden durchgeführt
werden.
Claims (17)
1. Werkzeugwechselsystem für einen Industrieroboter mit
freibeweglichem Roboterarm und unterschiedlichen, über
Antriebe aktivierbaren Werkzeugen, insbesondere zur Ober
flächenbearbeitung von Werkstücken, wobei die Werkzeuge
jeweils über ein Spannfutter an den Roboterarm ankoppelbar
sind, dadurch gekennzeichnet, daß
ein einziger Antrieb (21) stationär am Roboterarm (16, 17)
angeordnet ist und das Spannfutter (25) trägt und daß die
einzelnen Werkzeuge (300) vom Industrieroboter (1) selbst
tätig an das Spannfutter (25) adaptierbar sind, ohne daß
Spannstationen angefahren werden müssen.
2. Werkzeugsystem nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Spannfutter (25)
über eine Aufnahmehülse (23) an den stationären Antrieb (21)
angepaßt ist.
3. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Spannfutter (25) ei
nen Innenkegel (250) zum Einschieben von Werkzeugaufnah
men (310) aufweist, die mittels in der Kegelfläche gelager
ten Kugeln (251, 252) verriegelbar sind.
4. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die in der Kegelfläche
gelagerten Kugeln (251, 252) teilweise zur verdrehsicheren
Führung und teilweise zur Verriegelung der Werkzeugauf
nahme (310) ausgebildet sind.
5. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 1 und 3,
dadurch gekenzeichnet, daß das
Spannfutter (25) mittels einer Schiebehülse (26) betätigbar
ist.
6. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Spannfutter (25) eine
umlaufende Nut (27) zum Eingriff einer Gabel (33) als Teil
einer Verschiebeeinrichtung (30) zur Betätigung der Schiebe
hülse (26) beim selbsttätigen Adaptieren eines Werkzeuges
(300) aufweist.
7. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gabel (33) mit dem
Antrieb (21) mechanisch verbunden ist.
8. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Werkzeugaufnahme
(310) am Schaft eine Ringnut (322) Ablage der Werkzeuge
(300) aufweisen.
9. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Werkzeugaufnahmen (310) einen Konus (311) mit Mitnehmer
nuten (312) und Einführungsschrägen (313) haben, um einen
verdrehungssicheren Werkzeugwechsel beim Einführen der
Werkzeugaufnahme (310) zu gewährleisten.
10. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß als stationärer Antrieb
(21) ein Druckluftmotor verwendet ist.
11. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Druckluftmotor (21)
über eine Linearführung am Roboterarm (16, 16) nachgiebig
gehaltert ist.
12. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Linearführung durch
eine in Kugelbüchsen (41 a, 41 b) gelagerte Führungsstange
(43) gebildet ist.
13. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß der Anpreßdruck des
Werkzeuges (300) auf das Werkstück (2) mittels einer dem An
trieb (21) zugeordneten, einstellbaren Druckluftfeder (45)
veränderbar ist.
14. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß dem in Richtung der
Linearführung nachgiebig gelagerten Druckluftmotor (21)
Sensoren (46 bis 48) zugeordnet sind.
15. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die Linearführung
(41, 43) einen Endschalter (48) zur Kontrolle des Werkzeug
verschleißes und/oder Prüfung der Werkstückbeschaffenheit
aufweist.
16. Werkzeugwechselsystem nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die Linearführung
(41, 43) ein Potentiometer oder zwei Endschalter (46, 47)
zur Bahnkorrektur der Roboterbewegung aufweist.
17. Werkzeugwechselsystem nach einem der Ansprüche 14 bis
16, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensoren (46 bis 48) an der Druckluftfeder ange
bracht sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19863634018 DE3634018A1 (de) | 1986-10-06 | 1986-10-06 | Werkzeugwechselsystem fuer einen industrieroboter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19863634018 DE3634018A1 (de) | 1986-10-06 | 1986-10-06 | Werkzeugwechselsystem fuer einen industrieroboter |
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DE3634018A1 true DE3634018A1 (de) | 1988-04-14 |
DE3634018C2 DE3634018C2 (de) | 1992-02-13 |
Family
ID=6311164
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19863634018 Granted DE3634018A1 (de) | 1986-10-06 | 1986-10-06 | Werkzeugwechselsystem fuer einen industrieroboter |
Country Status (1)
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